6.1 Multiplexing

다중화의 목표: 효율성, 여러 개의 채널을 모아 하나의 채널을 만드는 것

다중화 시스템 기본 형식

• 단일 데이터 링크를 통해 여러 개의 신호를 동시에 전송
  
• 다중화기 MUX, Multiplexer
  • 전송 스트림을 단일 스트림으로 결합 (many to one)
• 다중복구기 DEMUX, Demultiplexer
  • 전송 스트림을 해당 수신장치에 전달
• 링크 Link
  • 물리적인 경로
• 채널 Channel
  • 한 쌍의 장치간에 전송을 위한 하나의 경로

음성의 전송 속도: 8k sampling * 8 bits => 64k

6.1.1 Frequency-Division Multiplexing

• 링크 대역폭이 전송되는 조합 신호의 대역폭보다 클 때 적용할 수 있는 아날로그 기술
• 신호가 겹치지 않도록 보호대역(Guard bands)만큼 떨어져 있어야 함
  • 신호가 서로 다른 채널에 할당되어야 함
    

FDM 처리 과정

• 각 신호는 서로 다른 반송 주파수(Carrier Signal)로 변조
  

Demultiplexing

• 개개의 신호를 분리해 수신기에 전달
• bandpass filter 이용해 특정 주파수 분리
  

FDM 응용

• 라디오
  • AM: 535kHz-1650kHz 방송국당 대역폭 10kHz
  • FM: 87.5MHz-108MHz 방송국당 대역폭 200kHz
• TV : 채널 당 6MHz
  • HD 470MHz-806MHz 대역폭 6MHz
  • UHD 700MHz 주파수 대역폭 30MHz
    • 5배 정도, 높은 해상도 요구
• 이동통신
  • LTE 800MHz-2.6GHz 주파수 대역폭 20MHz
  • 5G 이동통신 3.5GHz 주파수 대역폭 100MHz

주파수 high -> 파장, 전송거리 low / 장애물 영향 high / 품질 high(더 많은 데이터를 동시에 전송)

FDM은 아날로그 신호를 조합하는 아날로그 다중화 기술이다.

6.1.2 Time-Division Multiplexing

• 송신과 수신장치에 의해 요구되는 데이터 전송률보다 전송 매체의 데이터 전송률이 클 때 적용되는 디지털 처리 기술
  
• 주기적으로 4321 반복

• TDM은 여러 개의 저속 채널을 하나의 고속 채널로 조합한 디지털 다중화 기술이다.
• FDM은 대역폭 공유, TDM은 시간을 공유한다.

1. Synchronous TDM

time-slot & frame

time-slot: 각 유저가 보내는 단위

• 1 slot = 1 byte
• Each frame is 3 time slots
• frame rate >= slot rate (generally same)
  • T: 1 byte 전송 소요 시간
    

Interleaving

MUX와 DEMUX 간 Clock Synchronization

• 선 연결(hw)은 비싸서 sw적으로 동기화
  

[E.g] 6.8

• 4개의 채널
• 각 채널은 1초에 100byte씩 데이터 전송
• 1프레임은 각 채널에서 1byte씩 가져와서 묶음(일반적)

Solution

1. Size of the frame => 32 bit
   • 1 frame -> 4byte(A, B, C, D) = 32bit
2. Duration of a frame => 0.01s
   • 1초에 100frame이니까, 1 frame 걸리는 시간은 0.01초
3. Frame rate => 100frames/sec
   • 1초에 100byte를 보내야 하니까, 1 frame에 1byte씩 담으려면 1초에 100 frame 필요
4. Bit rate for the link => 3200bps
   • 1초에 100 byte를 보내야 하니까 32*100 => 3200 bps
   • 비트 전송률 = 프레임 속도 * 프레임 크기

Empty slots

• 발신자가 전송할 데이터가 없다면 해당 슬롯이 비게 됨 => 비효율적
• 회선교환망(FDM, TDM) : 안 써도 공간 점유
  

Frame Synchronization

• 프레임 구성비트(framing bits)
  • 각 프레임의 맨 앞에 동기화 비트 포함
• Synchronization pattern 통해 clock 동기화됨
  • 0과 1을 반복하여 섞어 씀

Digital Signal Service

디지털 신호의 계층 구조

1. DS-0
   • 64 kbps의 단일 디지털 채널
2. DS-1
   • 1.544 Mbps로, 24개의 64 kbps에 8 kbps의 오버헤드를 더한 것

DS와 T 회선의 전송속도

T-1 Frame 구조

• Frame size : 24 * 8 + 1 = 193 bits
• T(frame duration) : 1/8000 → 1/8000 초에 1 byte 전송
  • 1초에 8000 Frame 전송
  • 1 Frame = 193 bits
• Bit rate : 8000 * 193 bps = 1.544Mbps
  

E 회선

• 유럽 버전 TDM
  • 다중화 기본 속도가 더 큼
• E-1은 30개의 음성 채널 통합 + 2채널 -> 32채널 * 64kbps = 2.048Mbps
  

2. 통계적 TDM

동기식 TDM

• 회선 교환
• empty slot 존재해도 할당해줌 -> 지연x, 비쌈
  

통계적 TDM

• 패킷 교환 (store and forward)
• empty slot 발생 -> No 점유
• 예약된 slot이 없으므로, 각 데이터에 목적지 명시
  

6.2 Spread Spectrum

• 무선 통신 위해 설계
• 여분의 정보 추가
• 기존의 데이터 비트를 광대역으로 확산
• 장점
  • noise에 강함
  • 저전력 전송 가능
  • 보안 good
    

6.2.1 Frequency Hopping Spread Specturm

주파수 도약 확산 대역(FHSS)

• Bluetooth
• 서로 다른 반송파를 사용하여 변조

• cycle -> 다시 반복
  
• 대역폭 공유
  
• FDM은 Carrier Signal만 알면 복호화 가능 -> 보안 취약
• Hopping 개수
  • 4bit 순열 사용 -> 2^4 = 16
• Hop rate
  • bit rate / bit -> 256bps / 4bit = 64hops/s
• Cycle 소요 시간
  • number of top / hop rate -> 16 / 64 = 1/4s

6.2.2 Direct Sequence Spread Spectrum

직접 순열 확산 대역(DSSS)

• Wifi
• 각 데이터 비트를 확산 코드를 사용해 n개의 bit로 대체
• 송수신 간 확산코드를 동일시해야 함

Chip

• 정보를 갖진 않는 일련의 비트열
  • 한 비트를 n개의 비트로 바꿈

• Spreading code bit 수 증가
  • 대역폭 증가
  • noise에 강건 (0, 1 구분 더 쉬워짐)
  • 저전력
  • 다중 사용자 지원 가능

[Appendix] OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

• 주파수들이 겹치도록 만드는데, orthogonal 해야 함
  • 서로 영향을 주지 않음